一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法技术

本发明专利技术属于外骨骼领域，公开一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法。所述方法将生物能计算方法嵌入遗传算法中求解最优的踝关节外骨骼辅助力矩；遗传算法的目标函数为使步态周期的生物能成本最小；遗传算法的个体是人体的生物力矩，每一个个体可求得对应的外骨骼辅助力矩，通过遗传算法求解得到种群里的最优个体，进而得到最优个体对应的最优外骨骼辅助力矩。相比于通过实验法遍寻不同的辅助力矩，本发明专利技术通过遗传算法得到的外骨骼辅助力矩具备理论上的合理性，因此在一定程度上保证了实验的安全性，并且以此作为基础调试辅助力矩，将提高辅助力矩迭代的速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法
本专利技术涉及外骨骼领域，特别涉及一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，可用于步行踝关节外骨骼辅助力矩的设置和调试。
技术介绍
外骨骼机器人模仿生物世界昆虫的外骨骼，是一种可穿戴设备，作为一种新型的机电设备，通过集成传感、控制、信息融合等技术，在为使用者提供保护的基础上，给使用者提供动力及其他服务。外骨骼技术有广阔的运用场景，在工业领域，外骨骼可以减轻工人负重，减少肌肉疲劳，降低腰肌劳损的风险；在医疗领域，外骨骼帮助行动不便的老人或残障人士恢复行动能力，帮助护理人员轻松抬起病人；在救灾领域，外骨骼可以帮助消防员或其他急救人员提供防护，携带氧气罐和其他呼吸设备；在军事领域，外骨骼将士兵背负的沉重的背包重量传导到地面，并提供充足的动力，减少在崎岖不平的山路上长途跋涉的能量消耗。当前用于步行的踝关节外骨骼的辅助力矩主要是基于实验法制定，需要手动进行设置，曲线的样式相对来说比较简单，因需要遍历所有的曲线而使得调试过程比较繁琐，并且错误的辅助力矩可能会给人体带来损害。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术提供一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法。本专利技术采用如下技术方案实现：一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，所述方法将生物能计算方法嵌入遗传算法中求解最优的踝关节外骨骼辅助力矩；遗传算法的目标函数为使步态周期的生物能成本最小；遗传算法的个体是人体的生物力矩，每一个个体可求得对应的外骨骼辅助力矩，通过遗传算法求解得到种群里的最优个体，进而得到最优个体对应的最优外骨骼辅助力矩。优选地，遗传算法设置四个约束，其中：第一个约束为生物力矩约束，生物力矩数值须在0和跖屈肌总力矩之间；第二个约束为外骨骼辅助力矩峰值约束，限定外骨骼的辅助力矩峰值为一定比例的跖屈肌总力矩最大值；因为背屈肌肌肉效率过低，因此第三个约束为配合约束；外骨骼辅助力矩不使人体产生拮抗力矩增量；一般来说，在非主要步态段施加辅助力矩的代谢收益太小，因此第四个约束是非主要步态段外骨骼不施加辅助力矩。优选地，非主要步态段指步态周期10％之前以及65％之后的阶段。优选地，四个约束均可转化为以生物力矩为主体变量来表达，以跖屈肌为例，表达形式如下所示：0≤MMTU(t)≤MPFTOTAL(t)MMTU(t)≥MPFTOTAL(t)-max(MPFTOTAL(t))kMMTU(t)≥MMIN(t)MMTU(t)＝MPFTOTAL(t)(tp<10％或tp>65％)其中，MMTU(t)为生物力矩，k为外骨骼辅助力矩峰值约束中的限定比例，MPFTOTAL(t)为完成步行所需的总力矩，MMIN(t)为生物力矩下限，tp为当前步态百分比。优选地，，四个约束共同约定了生物力矩数值的上下界，通过一个元素数值均在0到1之间的数列x(t)，即可代表一个生物力矩，如下所示：MMTU(t)＝Lb+x(t)(Ub-Lb)其中，Lb为生物力矩的下界，Ub为生物力矩的上界。优选地，将步态周期从0％到100％，每1％设置一个x，则总共有101个x构成x(t)，一个x(t)代表一种生物力矩曲线。优选地，为了防止陷入局部最优，通过曲线插值和曲线平滑的数值运算操作使生物力矩曲线达到一定的光滑程度。优选地，遗传算法的目标函数为单个步态周期的小腿三头肌的生物能成本。优选地，单个步态周期的小腿三头肌的生物能成本计算包括步骤：S1、带入已知条件及生物力矩，生物力矩由遗传算法自行生成，已知条件包含：总力矩、肌肉肌腱单元长度、肌肉力臂、踝关节角度、肌肉最大力、最佳肌肉长度、肌腱原长和最大肌肉速度；S2、步态周期各时间点的肌肉力矩除以实时肌肉力矩等于各个时间点的肌腱力。将肌腱力代入肌腱动力学方程，可以求出实时的肌腱刚度与肌腱伸长量。肌腱伸长量加上肌腱的静息放松长度等于肌腱长度；S3、用肌肉肌腱单元在步态周期内各个时间点的长度LMTU(t)减去肌腱的实时长度LSEE等于肌肉的实时长度LCE，肌肉速度根据以下公式可以求得：VCE＝-ΔLCE/Δt其中：ΔLCE为LCE的差分；Δt为单位采样时间。S4、将肌肉力、肌肉速度和肌肉长度代入以下公式与方程，可以求得肌肉的激活程度a；其中：FM为肌肉力，等于当前肌肉长度除以肌肉最佳长度，等于当前肌肉速度除以肌肉最大速度，为肌肉长度对肌肉力的影响因子，为肌肉速度对肌肉力的影响因子，为肌腱长度对肌肉力的影响因子。S5、将肌肉激活程度和肌肉速度代入肌肉能量学方程，可以求得该时间节点的生物能功率。对生物能功率在时间上求积分，可以求出步态周期跖屈肌和背屈肌所消耗的生物能成本，即遗传算法的目标函数。优选地，肌肉能量学方程如下：WMet＝∫PMet(t)·dt其中：PMet为肌肉的生物能功率；FMAX为肌肉最大力；VMAX为肌肉最大速度；fMet为肌肉速度对生物能功率的影响因子；为等于当前肌肉速度除以肌肉最大速度；PMet(t)为t时刻时的肌肉生物能功率。相比于现有技术，本专利技术的优点在于：(1)外骨骼辅助力矩的制定是外骨骼开发和调试必须要面对的关键问题，但人机之间的动力学关系复杂，尚未有简要精确的理论方法可以求解出完美的外骨骼辅助力矩，故而实际中多以实验结果导向的方式逐步调整优化外骨骼辅助力矩，效率不佳且容易陷入错误的优化方向。本专利技术生成的力矩曲线具备一定的理论基础，相当于筛掉了绝大多数不合理的曲线，从该曲线再进行调试会加快整个外骨骼辅助力矩曲线的迭代速度，进而提升外骨骼的开发效率和准确性。(2)对于踝关节外骨骼来说，不同踝关节的辅助力矩会对人体造成不同的影响，有些会减少人体的代谢能消耗，有些会增加人体的代谢能成本，而有些可能会对人体造成损害。相比于通过实验法遍寻不同的辅助力矩样式，本专利技术通过遗传算法得到的外骨骼辅助力矩具备理论上的合理性，因此在一定程度上保证了实验的安全性，并且以此作为基础调试辅助力矩，将提高辅助力矩迭代的速度。(3)通过实验法遍寻不同辅助力矩的过程具有一定的安全风险，本专利技术通过遗传算法得到的外骨骼辅助力矩具备理论上的合理性，这有利于外骨骼辅助力矩的调试过程，在一定程度上保证了实验的安全性。附图说明图1为本专利技术一个实施例中步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法的流程图。图2为本专利技术一个实施例中基于双肌肉肌腱单元的踝关节肌骨系统模型；2(a)为肌肉肌腱单元(MTU)；2(b)、2(c)为踝关节肌骨系统模型几何结构图。图3为本专利技术一个实施例中遗传算法的目标函数计算流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施作进一步详细地说明。如图1所示，一种基于遗传算法的步行踝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，所述方法将生物能计算方法嵌入遗传算法中求解最优的踝关节外骨骼辅助力矩；遗传算法的目标函数为使步态周期的生物能成本最小；遗传算法的个体是人体的生物力矩，每一个个体可求得对应的外骨骼辅助力矩，通过遗传算法求解得到种群里的最优个体，进而得到最优个体对应的最优外骨骼辅助力矩。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，所述方法将生物能计算方法嵌入遗传算法中求解最优的踝关节外骨骼辅助力矩；遗传算法的目标函数为使步态周期的生物能成本最小；遗传算法的个体是人体的生物力矩，每一个个体可求得对应的外骨骼辅助力矩，通过遗传算法求解得到种群里的最优个体，进而得到最优个体对应的最优外骨骼辅助力矩。


2.根据权利要求1所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，遗传算法设置四个约束，其中：
第一个约束为生物力矩约束，生物力矩数值须在0和跖屈肌总力矩之间；
第二个约束为外骨骼辅助力矩峰值约束，限定外骨骼的辅助力矩峰值为一定比例的跖屈肌总力矩最大值；
因为背屈肌肌肉效率过低，因此第三个约束为配合约束；
外骨骼辅助力矩不使人体产生拮抗力矩增量；一般来说，在非主要步态段施加辅助力矩的代谢收益太小，因此第四个约束是非主要步态段外骨骼不施加辅助力矩。


3.根据权利要求2所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，非主要步态段指步态周期10％之前以及65％之后的阶段。


4.根据权利要求3所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，四个约束均可转化为以生物力矩为主体变量来表达，以跖屈肌为例，表达形式如下所示：
0≤MMTU(t)≤MPFTOTAL(t)
MMTU(t)≥MPFTOTAL(t)-max(MPFTOTAL(t))·k
MMTU(t)≥MMIN(t)
MMTU(t)＝MPFTOTAL(t)(tp<10％或tp>65％)
其中，MMTU(t)为生物力矩，k为外骨骼辅助力矩峰值约束中的限定比例，MPFTOTAL(t)为完成步行所需的总力矩，MMIN(t)为生物力矩下限，tp为当前步态百分比。


5.根据权利要求4所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，四个约束共同约定了生物力矩数值的上下界，通过一个元素数值均在0到1之间的数列x(t)，即可代表一个生物力矩，如下所示：
MMTU(t)＝Lb+x(t)(Ub-Lb)
其中，Lb为生物力矩的下界，Ub为生物力矩的上界。


6.根据权利要求5所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，将步态周期从0％到100％，每1％设置一个x，则总共有101个x构成x(t)，一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：王念峰，钟一弘，张宪民，黄伟聪，
申请(专利权)人：华南理工大学，广东天物新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44